Регулирование давления впрыска в топливной рампе
Благодаря очень высокой плотности энергии сжатый природный газ (СПГ) прекрасно подходит для использования в качестве автомобильного топлива. Его октановое число примерно 120, а теплота сгорания от 9,000 до 11,000 ккал/кг или от 38 до 47 МДж/кг.
Кроме того, при сжигании СПГ выделяется значительно меньше СО2, чем, например, при сгорании бензина. А поскольку СПГ сравнительно дешевое топливо, растет интерес производителей к разработке транспортных средств, способных работать на этом теплоносителе.
Основная задача при оптимизации работы двигателя внутреннего сгорания на СПГ ― регулирование давления впрыска в топливной рампе.
СПГ хранится примерно при 200 бар и впрыскивается при давлении от 2 до 9 бар в зависимости от характеристик двигателя: низкое давление эффективно для экономичного вождения на низких скоростях, а более высокое давление требуется, когда нужна большая мощность и крутящий момент.
Эффективность сгорания в цилиндре двигателя сильно зависит от температуры и давления СПГ: увеличение давления при постоянном объеме приведет к увеличению массовой плотности газа, тем самым увеличивая теплотворность. Несмотря на то что начальная температура и давление впрыска могут изменяться, если они не будут точно откалиброваны при разработке, транспортные средства, работающие на СПГ, столкнутся с потерей мощности и плохой управляемостью.
Впрыск СПГ под давлением
Как правило, СПГ подается из бака высокого давления через регулятор давления в топливную рампу. Для эффективного сгорания топлива количество впрыскиваемого природного газа всегда должно соответствовать массе воздуха, необходимой двигателю. Поэтому в электронном управлении двигателем обычно используется расходомер воздуха, чтобы определить точное количество необходимого воздуха и количество инжектируемого СПГ.
При инжекции в центральную точку СПГ подается из распределителя природного газа во впускной коллектор. Датчик среднего давления измеряет давление и температуру в распределителе, позволяя инжекторам природного газа доставлять точное количество необходимого топлива.
Впрыск может осуществляться и без распределителя, путем выравнивания каждого инжектора с соответствующим цилиндром. С помощью этого многоточечного впрыска газ впрыскивается под давлением во впускной коллектор каждого цилиндра "бегунка" вверх по впускному клапану.
Поскольку изменения давления оказывают значительное влияние на рабочие характеристики двигателя, крутящий момент и выбросы выхлопных газов (CO, CO2, NOx и углеводороды) должны регистрироваться во время испытаний двигателя.
Оптимизация давления в рампе для любых условий вождения
Для оптимизации системы СПГ важно, чтобы на этапах проектирования и испытаний давление внутри рампы было точно измерено в различных отверстиях дроссельной заслонки и в перекрестной зависимости от крутящего момента двигателя и соответствующих выбросов выхлопных газов. Поэтому большинством разработчиков востребованы высококачественные датчики давления. Важно, чтобы они предоставляли точные показания в широком диапазоне измерений и были устойчивы к воздействию повышенных температур.
Хотя повышение давления СПГ снижает выбросы СО2, НС и NOx, содержание СО в выхлопных газах возрастает, поэтому крайне важно точно регистрировать эффекты модуляции давления впрыска СПГ.
Во время тестирования регулятор давления используется для контроля давления впрыска, которое измеряется точно откалиброванным датчиком давления, расположенным в направляющей, а аналоговый расходомер (как правило, производительностью 2,5 м3/ч) используется для измерения и контроля скорости воздуха на входе. Динамометрический стенд используется для записи крутящего момента двигателя.
В течение всего испытания температура газа и скорость потока поддерживаются постоянными: 22°C и 0,1 SCFH (ст. фут3/ч) соответственно. Мощный нагнетатель используется для поддержания температуры двигателя во время испытания, а оборудование для проверки выбросов присоединяется к выхлопному отверстию для регистрации содержания CO, CO2, углеводородов и NOx в выхлопных газах.
Процесс довольно сложный и требует измерения давления в рампе, крутящего момента и выбросов в сотнях точек открытия дроссельной заслонки, чтобы составить эффективный документ со всеми требованиями по двигателю. Измерение, запись и ввод полученных данных в соответствующие таблицы ― трудоемкая задача, поэтому разработчики часто обращаются к инструментам моделирования для ускорения разработки. После сбора базовых данных можно сгенерировать бесконечное количество симуляций в реальном времени, которые будут применены к любому аспекту цикла разработки: от первоначальной концепции до проектирования, тестирования и валидации с использованием аппаратно-циклического тестирования.
Хорошо разработанная программа испытаний, использующая датчики давления лабораторного класса и испытательное оборудование, демонстрирует рабочие характеристики и управляемость транспортных средств, работающих на СПГ.